很幽默的讲解六种Socket IO模型

很幽默的讲解六种Socket IO模型
 
本文简单介绍了当前Windows支持的各种Socket I/O模型，如果你发现其中存在什么错误请务必赐教。

一：select模型
二：WSAAsyncSelect模型
三：WSAEventSelect模型
四：Overlapped I/O 事件通知模型
五：Overlapped I/O 完成例程模型
六：IOCP模型

老陈有一个在外地工作的女儿，不能经常回来，老陈和她通过信件联系。他们的信会被邮递员投递到他们的信箱里。
这和Socket模型非常类似。下面我就以老陈接收信件为例讲解Socket I/O模型~~~

一：select模型

老陈非常想看到女儿的信。以至于他每隔10分钟就下楼检查信箱，看是否有女儿的信~~~~~
在这种情况下，"下楼检查信箱"然后回到楼上耽误了老陈太多的时间，以至于老陈无法做其他工作。
select模型和老陈的这种情况非常相似：周而复始地去检查......如果有数据......接收/发送.......

使用线程来select应该是通用的做法：
procedure TListenThread.Execute;
var
addr : TSockAddrIn;
fd_read : TFDSet;
timeout : TTimeVal;
ASock,
MainSock : TSocket;
len, i : Integer;
begin
MainSock := socket( AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP );
addr.sin_family := AF_INET;
addr.sin_port := htons(5678);
addr.sin_addr.S_addr := htonl(INADDR_ANY);
bind( MainSock, @addr, sizeof(addr) );
listen( MainSock, 5 );

while (not Terminated) do
begin
FD_ZERO( fd_read );
FD_SET( MainSock, fd_read );
timeout.tv_sec := 0;
timeout.tv_usec := 500;
if select( 0, @fd_read, nil, nil, @timeout ) > 0 then //至少有1个等待Accept的connection
begin
if FD_ISSET( MainSock, fd_read ) then
begin
for i:=0 to fd_read.fd_count-1 do //注意，fd_count <= 64，也就是说select只能同时管理最多64个连接
begin
len := sizeof(addr);
ASock := accept( MainSock, addr, len );
if ASock <> INVALID_SOCKET then
....//为ASock创建一个新的线程，在新的线程中再不停地select
end;
end;
end;
end; //while (not self.Terminated)

shutdown( MainSock, SD_BOTH );
closesocket( MainSock );
end;

二：WSAAsyncSelect模型

后来，老陈使用了微软公司的新式信箱。这种信箱非常先进，一旦信箱里有新的信件，盖茨就会给老陈打电话：喂，大

爷，你有新的信件了！从此，老陈再也不必频繁上下楼检查信箱了，牙也不疼了，你瞅准了，蓝天......不是，微软

~~~~~~~~
微软提供的WSAAsyncSelect模型就是这个意思。

WSAAsyncSelect模型是Windows下最简单易用的一种Socket I/O模型。使用这种模型时，Windows会把网络事件以消息的

形势通知应用程序。
首先定义一个消息标示常量：
const WM_SOCKET = WM_USER + 55;
再在主Form的private域添加一个处理此消息的函数声明：
private
procedure WMSocket(var Msg: TMessage); message WM_SOCKET;
然后就可以使用WSAAsyncSelect了：
var
addr : TSockAddr;
sock : TSocket;

sock := socket( AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP );
addr.sin_family := AF_INET;
addr.sin_port := htons(5678);
addr.sin_addr.S_addr := htonl(INADDR_ANY);
bind( m_sock, @addr, sizeof(SOCKADDR) );

WSAAsyncSelect( m_sock, Handle, WM_SOCKET, FD_ACCEPT or FD_CLOSE );

listen( m_sock, 5 );
....

应用程序可以对收到WM_SOCKET消息进行分析，判断是哪一个socket产生了网络事件以及事件类型：

procedure TfmMain.WMSocket(var Msg: TMessage);
var
sock : TSocket;
addr : TSockAddrIn;
addrlen : Integer;
buf : Array [0..4095] of Char;
begin
//Msg的WParam是产生了网络事件的socket句柄，LParam则包含了事件类型
case WSAGetSelectEvent( Msg.LParam ) of
FD_ACCEPT :
begin
addrlen := sizeof(addr);
sock := accept( Msg.WParam, addr, addrlen );
if sock <> INVALID_SOCKET then
WSAAsyncSelect( sock, Handle, WM_SOCKET, FD_READ or FD_WRITE or FD_CLOSE );
end;

FD_CLOSE : closesocket( Msg.WParam );
FD_READ : recv( Msg.WParam, buf[0], 4096, 0 );
FD_WRITE : ;
end;
end;

三：WSAEventSelect模型

后来，微软的信箱非常畅销，购买微软信箱的人以百万计数......以至于盖茨每天24小时给客户打电话，累得腰酸背痛

，喝蚁力神都不好使~~~~~~
微软改进了他们的信箱：在客户的家中添加一个附加装置，这个装置会监视客户的信箱，每当新的信件来临，此装置会

发出"新信件到达"声，提醒老陈去收信。盖茨终于可以睡觉了。

同样要使用线程：
procedure TListenThread.Execute;
var
hEvent : WSAEvent;
ret : Integer;
ne : TWSANetworkEvents;
sock : TSocket;
adr : TSockAddrIn;
sMsg : String;
Index,
EventTotal : DWORD;
EventArray : Array [0..WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS-1] of WSAEVENT;
begin
...socket...bind...
hEvent := WSACreateEvent();
WSAEventSelect( ListenSock, hEvent, FD_ACCEPT or FD_CLOSE );
...listen...

while ( not Terminated ) do
begin
Index := WSAWaitForMultipleEvents( EventTotal, @EventArray[0], FALSE, WSA_INFINITE, FALSE );
FillChar( ne, sizeof(ne), 0 );
WSAEnumNetworkEvents( SockArray[Index-WSA_WAIT_EVENT_0], EventArray[Index-WSA_WAIT_EVENT_0], @ne );

if ( ne.lNetworkEvents and FD_ACCEPT ) > 0 then
begin
if ne.iErrorCode[FD_ACCEPT_BIT] <> 0 then
continue;

ret := sizeof(adr);
sock := accept( SockArray[Index-WSA_WAIT_EVENT_0], adr, ret );
if EventTotal > WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS-1 then//这里WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS同样是64
begin
closesocket( sock );
continue;
end;

hEvent := WSACreateEvent();
WSAEventSelect( sock, hEvent, FD_READ or FD_WRITE or FD_CLOSE );
SockArray[EventTotal] := sock;
EventArray[EventTotal] := hEvent;
Inc( EventTotal );
end;

if ( ne.lNetworkEvents and FD_READ ) > 0 then
begin
if ne.iErrorCode[FD_READ_BIT] <> 0 then
continue;
FillChar( RecvBuf[0], PACK_SIZE_RECEIVE, 0 );
ret := recv( SockArray[Index-WSA_WAIT_EVENT_0], RecvBuf[0], PACK_SIZE_RECEIVE, 0 );
......
end;
end;
end;

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四：Overlapped I/O 事件通知模型

后 来，微软通过调查发现，老陈不喜欢上下楼收发信件，因为上下楼其实很浪费时间。于是微软再次改进他们的信箱

。新式的信箱采用了更为先进的技术，只要用户告 诉微软自己的家在几楼几号，新式信箱会把信件直接传送到用户的

家中，然后告诉用户，你的信件已经放到你的家中了！老陈很高兴，因为他不必再亲自收发信件 了！

Overlapped I/O 事件通知模型和WSAEventSelect模型在实现上非常相似，主要区别在"Overlapped"，Overlapped模型

是让应用程序使用重叠数据结构(WSAOVERLAPPED)，一次投递一个或多个Winsock I/O请求。这些提交的请求完成后，应

用程序会收到通知。什么意思呢？就是说，如果你想从socket上接收数据，只需要告诉系统，由系统为你接收数据，而

你需要做的只是为系统提供一个缓冲区~~~~~
Listen线程和WSAEventSelect模型一模一样，Recv/Send线程则完全不同：在接收和发送线程里，采用

WSARecv,WSASend,然后用WSAWaitForMultipleEvents检测，有通知就用
GetOverLappedREsult去取操作结果，

procedure TOverlapThread.Execute;
var
dwTemp : DWORD;
ret : Integer;
Index : DWORD;
begin
......

while ( not Terminated ) do
begin
Index := WSAWaitForMultipleEvents( FLinks.Count, @FLinks.Events[0], FALSE, RECV_TIME_OUT, FALSE );
Dec( Index, WSA_WAIT_EVENT_0 );
if Index > WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS-1 then //超时或者其他错误
continue;

WSAResetEvent( FLinks.Events[Index] );
WSAGetOverlappedResult( FLinks.Sockets[Index], FLinks.pOverlaps[Index], @dwTemp, FALSE, FLinks.pdwFlags

[Index]^ );

if dwTemp = 0 then //连接已经关闭
begin
......
continue;
end else
begin
fmMain.ListBox1.Items.Add( FLinks.pBufs[Index]^.buf );
end;

//初始化缓冲区
FLinks.pdwFlags[Index]^ := 0;
FillChar( FLinks.pOverlaps[Index]^, sizeof(WSAOVERLAPPED), 0 );
FLinks.pOverlaps[Index]^.hEvent := FLinks.Events[Index];
FillChar( FLinks.pBufs[Index]^.buf^, BUFFER_SIZE, 0 );

//递一个接收数据请求
WSARecv( FLinks.Sockets[Index], FLinks.pBufs[Index], 1, FLinks.pdwRecvd[Index]^, FLinks.pdwFlags[Index]

^, FLinks.pOverlaps[Index], nil );
end;
end;

五：Overlapped I/O 完成例程模型

老陈接收到新的信件后，一般的程序是：打开信封----掏出信纸----阅读信件----回复信件......为了进一步减轻用户

负担，微软又开发了一种新的技术：用户只要告诉微软对信件的操作步骤，微软信箱将按照这些步骤去处理信件，不再

需要用户亲自拆信/阅读/回复了！老陈终于过上了小资生活！

Overlapped I/O 完成例程要求用户提供一个回调函数，发生新的网络事件的时候系统将执行这个函数：
procedure WorkerRoutine( const dwError, cbTransferred : DWORD; const
lpOverlapped : LPWSAOVERLAPPED; const dwFlags : DWORD ); stdcall;
然后告诉系统用WorkerRoutine函数处理接收到的数据：
WSARecv( m_socket, @FBuf, 1, dwTemp, dwFlag, @m_overlap, WorkerRoutine );
然后......没有什么然后了，系统什么都给你做了！微软真实体贴！
while ( not Terminated ) do//这就是一个Recv/Send线程要做的事情......什么都不用做啊！！！
begin
if SleepEx( RECV_TIME_OUT, True ) = WAIT_IO_COMPLETION then //
begin
;
end else
begin
continue;
end;
end;

六：IOCP模型

微软信箱似乎很完美，老陈也很满意。但是在一些大公司情况却完全不同！这些大公司有数以万计的信箱，每秒钟都有

数以百计的信件需要处理，以至于微软信箱经常因超负荷运转而崩溃！需要重新启动！微软不得不使出杀手锏......
微软给每个大公司派了一名名叫"Completion Port"的超级机器人，让这个机器人去处理那些信件！

"Windows NT小组注意到这些应用程序的性能没有预料的那么高。特别的，处理很多同时的客户请求意味着很多线程并

发地运行在系统中。因为所有这些线程都是可运行的[没有被挂起和等待发生什么事]，Microsoft意识到NT内核花费了

太多的时间来转换运行线程的上下文[Context]，线程就没有得到很多CPU时间来做它们的工作。大家可能也都感觉到并

行模型的瓶颈在于它为每一个客户请求都创建了一个新线程。创建线程比起创建进程开销要小，但也远不是没有开销的

。我们不妨设想一下：如果事先开好N个线程，让它们在那hold[堵塞]，然后可以将所有用户的请求都投递到一个消息

队列中去。然后那N个线程逐一从消息队列中去取出消息并加以处理。就可以避免针对每一个用户请求都开线程。不仅

减少了线程的资源，也提高了线程的利用率。理论上很不错，你想我等泛泛之辈都能想出来的问题，Microsoft又怎会

没有考虑到呢?"-----摘自nonocast的《理解I/O Completion Port》

先看一下IOCP模型的实现：

//创建一个完成端口
FCompletPort := CreateIoCompletionPort( INVALID_HANDLE_VALUE, 0,0,0 );

//接受远程连接，并把这个连接的socket句柄绑定到刚才创建的IOCP上
AConnect := accept( FListenSock, addr, len);
CreateIoCompletionPort( AConnect, FCompletPort, nil, 0 );

//创建CPU数*2 + 2个线程
for i:=1 to si.dwNumberOfProcessors*2+2 do
begin
AThread := TRecvSendThread.Create( false );
AThread.CompletPort := FCompletPort;//告诉这个线程，你要去这个IOCP去访问数据
end;

OK，就这么简单，我们要做的就是建立一个IOCP，把远程连接的socket句柄绑定到刚才创建的IOCP上，最后创建n个线

程，并告诉这n个线程到这个IOCP上去访问数据就可以了。

再看一下TRecvSendThread线程都干些什么：

procedure TRecvSendThread.Execute;
var
......
begin
while (not self.Terminated) do
begin
//查询IOCP状态（数据读写操作是否完成）
GetQueuedCompletionStatus( CompletPort, BytesTransd, CompletKey, POVERLAPPED(pPerIoDat), TIME_OUT );

if BytesTransd <> 0 then
....;//数据读写操作完成

//再投递一个读数据请求
WSARecv( CompletKey, @(pPerIoDat^.BufData), 1, BytesRecv, Flags, @(pPerIoDat^.Overlap), nil );
end;
end;

读写线程只是简单地检查IOCP是否完成了我们投递的读写操作，如果完成了则再投递一个新的读写请求。
应该注意到，我们创建的所有TRecvSendThread都在访问同一个IOCP（因为我们只创建了一个IOCP），并且我们没有使

用临界区！难道不会产生冲突吗？不用考虑同步问题吗？
呵呵，这正是IOCP的奥妙所在。IOCP不是一个普通的对象，不需要考虑线程安全问题。它会自动调配访问它的线程：如

果某个socket上有一个线程A正在访问，那么线程B的访问请求会被分配到另外一个socket。这一切都是由系统自动调配

的，我们无需过问。 
  
 
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